车载单元中智能电源的设计与实现

　　摘要：高性能和低功耗是电子系统发展的必然趋势，嵌入式系统的功耗越来越受到人们的关注，这一点对于电池供电的便携式嵌入式系统尤为明显，在大多数嵌入式系统设计中，性能的提高总是伴随着系统功耗的增加，解决好二者之间的矛盾，探索低功耗的电源管理技术，提供切实可行的解决方案，将是全球相关行业共同面临的机遇和挑战。本文以电子不停车收费系统为基础，对系统中车载单元提出了一种有效的智能电源管理解决方案。
   　　智能交通系统（IntelligentTransportSystem，简称ITS） 研究领域，是未来交通系统的发展方向，其是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。
   　　1 ETC系统介绍
   　　电子不停车收费（ElectronicTollCollection，ETC）设计成由路边读写设备（Road Side Unit，简称RSU）、车载单元（OnBoardUnit，简称OBU）、IC卡、计算机安全控管技术、网络及账务等几大部分组成。
   　　其组成由图1.1 所示：
   
   　　
   　　图1. 1 ETC系统组成图
   
   　　OBU 中存有车辆的识别信息，如车牌号、汽车ID号，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上，RSU安装于收费站旁边，环路感应器安装于车道地面下。中心管理系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户的信息。当车辆通过收费站口时，环路感应器感知车辆，路边单元发出询问信号，车载单元做出响应。并进行双向通信和数据交换，中心管理系统获取车辆识别、车型等信息并和数据库中相应信息进行比较判断，根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作。通过路边单元与车载单元进行相互通信和信息交换，以达到对车辆的自动识别，并自动从该用户的专用帐户中扣除通行费，从而实现自动收费。
   　　因为OBU在整个ETC 系统中起着非常重要的作用，而电源模块的性能直接关系着OBU能否正常工作。现有的OBU供电方式一般有两种，但各有缺憾。据此，新的低功耗电源设计方法应该产生。
   
   　　2 低功耗智能电源在电子不停车收费系统中应用设计方案
   
   　　如OBU这种以嵌入式处理器为核心的系统，其功耗主要由处理器功耗和外围电路功耗组成。考虑实际的运行情况，汽车在公路上行驶的整个过程中，经过收费站的时间是非常短的，OBU只需要在汽车经过收费站时工作，而且工作时间不到一秒钟，其他绝大部分时间都不需要工作。OBU智能电源管理采用电池供电的方法，控制OBU 工作在两种模式，睡眠模式和激活模式；当车进入收费站时，OBU被激活，开始工作，处于激活模式；当交易完成，车离开收费站后，OBU马上停止工作进入睡眠模式。根据这种特点，对电源采用分级管理的策略，即分为待机电源与工作电源，如图2.1。
   
   　　
   　　图2. 1 OBU电源管理分级模块结构图
   
   　　同时，为实现进一步的分时供电控制，工作电源模块又按功能模块划分独立电源回路，各个模块电源独立可控，由主控制器统一协调。
   　　激活的MCU，使用中断编写方式，对各个I/O 进行判断后分时控制，输出各个耗电模块的DC/DC使能高电平信号，分时为射频接收、射频发送、基带电路、IC卡读写、账户管理及人机接口供电；在任一时刻，系统除主控制器外最多只为2 个模块供电，大大减少了系统的功耗。
   
   　　摘要：高性能和低功耗是电子系统发展的必然趋势，嵌入式系统的功耗越来越受到人们的关注，这一点对于电池供电的便携式嵌入式系统尤为明显，在大多数嵌入式系统设计中，性能的提高总是伴随着系统功耗的增加，解决好二者之间的矛盾，探索低功耗的电源管理技术，提供切实可行的解决方案，将是全球相关行业共同面临的机遇和挑战。本文以电子不停车收费系统为基础，对系统中车载单元提出了一种有效的智能电源管理解决方案。
   　　智能交通系统（IntelligentTransportSystem，简称ITS） 研究领域，是未来交通系统的发展方向，其是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。
   
   　　1 ETC系统介绍
   
   　　电子不停车收费（ElectronicTollCollection，ETC）设计成由路边读写设备（Road Side Unit，简称RSU）、车载单元（OnBoardUnit，简称OBU）、IC卡、计算机安全控管技术、网络及账务等几大部分组成。
   　　其组成由图1.1 所示：
   
   　　
   　　图1. 1 ETC系统组成图
   
   　　OBU 中存有车辆的识别信息，如车牌号、汽车ID号，一般安装于车辆前面的挡风玻璃上，RSU安装于收费站旁边，环路感应器安装于车道地面下。中心管理系统有大型的数据库，存储大量注册车辆和用户的信息。当车辆通过收费站口时，环路感应器感知车辆，路边单元发出询问信号，车载单元做出响应。并进行双向通信和数据交换，中心管理系统获取车辆识别、车型等信息并和数据库中相应信息进行比较判断，根据不同情况来控制管理系统产生不同的动作。通过路边单元与车载单元进行相互通信和信息交换，以达到对车辆的自动识别，并自动从该用户的专用帐户中扣除通行费，从而实现自动收费。
   　　因为OBU在整个ETC 系统中起着非常重要的作用，而电源模块的性能直接关系着OBU能否正常工作。现有的OBU供电方式一般有两种，但各有缺憾。据此，新的低功耗电源设计方法应该产生。
   
   　　2 低功耗智能电源在电子不停车收费系统中应用设计方案
   
   　　如OBU这种以嵌入式处理器为核心的系统，其功耗主要由处理器功耗和外围电路功耗组成。考虑实际的运行情况，汽车在公路上行驶的整个过程中，经过收费站的时间是非常短的，OBU只需要在汽车经过收费站时工作，而且工作时间不到一秒钟，其他绝大部分时间都不需要工作。OBU智能电源管理采用电池供电的方法，控制OBU 工作在两种模式，睡眠模式和激活模式；当车进入收费站时，OBU被激活，开始工作，处于激活模式；当交易完成，车离开收费站后，OBU马上停止工作进入睡眠模式。根据这种特点，对电源采用分级管理的策略，即分为待机电源与工作电源，如图2.1。
   
   　　
   　　图2. 1 OBU电源管理分级模块结构图
   
   　　同时，为实现进一步的分时供电控制，工作电源模块又按功能模块划分独立电源回路，各个模块电源独立可控，由主控制器统一协调。
   　　激活的MCU，使用中断编写方式，对各个I/O 进行判断后分时控制，输出各个耗电模块的DC/DC使能高电平信号，分时为射频接收、射频发送、基带电路、IC卡读写、账户管理及人机接口供电；在任一时刻，系统除主控制器外最多只为2 个模块供电，大大减少了系统的功耗。
   
   　　3 智能电源电路设计及器件选择
   
   　　3.1 放大电路设计
   　　从检波器检测出来的信号是非常微弱的，可能是几毫安甚至是微安级的，这么小的信号一般是不能满足后级各种电路对信号幅度的要求，所以必须要进行放大。运算放大器的静态电流与带宽是成正比的，带宽越大，静态电流也越大，这一点在各大半导体生产商的选型表中可以明显的看出；通过比对，为了设计出增益大、噪声小、又具有一定带宽的放大器，本设计选择TLV2382 最为唤醒信号放大器。
   
   　　
   　　图3. 1 运算放大器单电源供电电路
   
   　　3.2 低功耗M C U 软硬件设计
   　　为了实现低功耗，MCU应该选择自身能耗低的型号，一款超低功耗MCU，主要从以下几方面综合考虑：系统平均电流、时钟系统、中断、片内外设、BOR 保护、管脚漏电流、处理效率。根据这一特点，本设计选择了美国德州仪器（TI ） 1996 年开始推向市场的一种16 位超低功耗的混合信号处理器（Mixed SignalProcessor） MSP430 系列单片机。
   　　3.3 系统时钟的设计
   　　对于一个带有低电压睡眠唤醒的系统，晶振的选择非常重要。这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，特别在睡眠唤醒时，造成晶振启振很慢或根本就不能启振，而启动时间过长将会明显地增加系统的功耗。MSP430F2001 设计的系统可以很好地解决这个问题。
   　　低速时钟选用12kHz 的VLOCLK，高频由内部集成的DCO振荡器产生，可以通过调整的控制参数选择合适的输出频率。
   　　3.4 电源供电的设计
   　　本系统采用2 节干电池作为测试供电，通过电源芯片产生+3.3V的电压。由于TPS79633 的输入电压范围是2.7~5.5V，使能信号高电平，而且低电平，因而可以直接使用单片机的I/O 管脚作为使能信号。
   　　MCU的工作与否完全由总开关的输出POW所决定，单片机只在工作与断电之间转换。其他I/O 接口作为控制其余模块的输出，进行分时控制。
   　　3.5 软件设计
   　　在降低功耗上必须软硬件结合才能达到理想的效果。软件设计主要注意以下方面：
   　　系统采用中断编写方式，对各个I/O 进行判断，分时控制，对每个模块分时供电，从而降低功耗。其次输出一个反馈信号，对总开关进行控制，达到断电的功能。
   　　系统的功耗会随着系统的频率升高而增加，在系统开始工作后使用12kHz 的主时钟可以降低工作时的功耗。
   　　4 结论
   　　嵌入式系统的低功耗设计是嵌入式系统设计中必须考虑的设计原则，一个成功的低功耗设计应该是硬件设计和软件设计的结合，从硬件设计开始，就应该充分意识到一个低功耗应用的特性，选择一款合适MCU，通过对其特性的了解，设计系统方案；在软件设计上，要考虑到低功耗编程的特殊性，并尽量使用单片机的低功耗模式。